昆明理工大學《Acta Materialia》：新型雙相貴金屬高溫合金！
2024-12-03 13:23:19
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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稀貴金屬由于其獨特的化學穩定性和優異的耐腐蝕性，在航空航天、國防軍工、精細化工、生物醫藥等戰略性新興產業中具有不可替代的重要作用。然而，稀貴金屬的研發長期面臨著成本高、經驗少等問題，實現稀貴金屬材料的“等效減量”是長久以來的目標。基于材料基因工程的方法，通過高通量計算精準預測材料性能，可以大幅加速材料的篩選和優化過程，顯著降低研發成本和周期。非貴金屬元素的加入一般會降低合金高溫穩定性和抗氧化性能，基于傳統γ/γ'雙相強化的合金有望在保持高溫力學性能和高溫氧化性基礎上，大幅度降低貴金屬原料成本。γ/γ'雙相強化Pt-Al高溫合金中沉淀相（γ'-Pt3Al相）的穩定性以及沉淀相和基體相（γ相）的晶格失配度對Pt-Al高溫合金的力學性能起到重要的作用。然而，隨著溫度的降低，立方相（γ'-Pt3Al相）轉變為四方相，破壞強化相和基體相的共格結構，惡化合金的力學性質。
近日，昆明理工大學材料科學與工程學院種曉宇教授團隊聯合北京應用物理與計算數學研究所、云南貴金屬集團等單位的研發團隊，在稀貴金屬材料基因工程領域取得重要進展，針對Pt-Al高溫合金中γ'-Pt3Al相不穩定的問題，通過高通量計算結合關鍵實驗，協同優化γ′-Pt3Al相穩定性、γ-γ′相晶格失配，實現新型Pt-Al高溫合金的開發，相關研究成果以Discovering novel γ-γ′ Pt-Al superalloys via lattice stability in Pt3Al induced by local atomic environment distortion為題，發表在結構材料領域國際頂級學術期刊Acta Materialia。昆明理工大學為論文第一單位，種曉宇教授、高興譽研究員、馮晶教授為論文共同通訊作者，博士研究生余威為論文第一作者。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424007638
圖1. 新型γ-γ′ Pt-Al高溫合金的設計流程
圖2. Pt3Al的(a)晶體結構，(b)能量體積曲線，(c)聲子譜，(d)力常數，(e)電子態密度Pt3Al在高溫下為立方cP4-Cu3Au（L12，即γ′相）相，低溫下為四方tP16-Pt3Ga（tP16）相。L12相屬于Pm-3m空間群，tP16相屬于P4/mbm空間群，如圖2所示。L12相的聲子譜在R點（π/a, π/a, π/a）處存在虛頻，表明其動力學不穩定性。通過拉伸力常數（SFCs）量化鍵強度，較大的SFCs表示較強的鍵合，而負SFCs則表明原子對之間趨向于分離。在L12相和tP16相中，SFCs均呈現出Pt-Pt鍵> Pt-Al鍵> Al-Al鍵的趨勢，L12相Pt-Al原子對的SFCs（L12相為1.010 eV/Ų，tP16相為3.473 eV/Ų）明顯弱于tP16相。此外，L12相Pt-Pt原子對表現出明顯的負SFCs（-0.409 eV/Ų），表明Pt-Pt原子對趨向于分離。Pt-Al原子對的弱鍵合以及Pt-Pt原子對的負SFCs導致了L12相的動力學不穩定性。鍵強度進一步通過圖2(f)中的電子態密度（DOS）得到了驗證。
圖3.γ′-Pt3Al相的動力學穩定機制及新型γ-γ′ Pt-Al合金
本團隊系統研究了32種合金元素對γ'-Pt3Al相動力學性質的影響，首次發現合金化策略將誘導不同的局部原子環境畸變（局域晶格畸變或局域電荷畸變）增強化學鍵，穩定γ'-Pt3Al相。Ti、Hf、Ta、Cr等合金元素傾向占據γ'-Pt3Al相中的Al位，使γ'-Pt3Al相中的球形電子云呈現出明顯的方向性，即局域電荷畸變（LCD），穩定γ'-Pt3Al相。然而，Ni、Co、Ru等合金元素傾向占據Pt位，通過誘導局域晶格畸變（LLD）穩定γ'-Pt3Al相。基于計算結果（聲子譜、形成焓、混合焓、分配焓和晶格常數線性擬合系數），對合金元素進行有效篩選，選擇Hf、Ti、Ta、Cr和Ni元素進行實驗驗證。Pt-12Al-6X (X = Hf，Ti，Ta和Cr)具有穩定的γ′相，與計算結果一致，其中Pt-12Al-6Hf合金為首次報道，其室溫維氏硬度(442.1 HV)超過了鎳基高溫合金IN718 (413.6 HV)。通過高通量計算篩選結合關鍵實驗驗證的方法促進了新型Pt-Al高溫合金的發展，并大大節約了研發成本和研發時間。本工作中所涉及的晶體結構建模和部分高通量計算是在極端條件材料物性集成計算平臺ProME（Professional Materials at Extremes）上完成的，ProME是一款由北京應用物理與數學研究所、昆明理工大學和國內多家單位聯合開發的國產材料計算平臺。同時，上述工作得到了云南省稀貴金屬材料基因工程專項、云南省重大科技專項、云南貴金屬實驗室重大專項等項目的支持，新型Pt-Al高溫合金的開發形成了高通量計算驅動貴金屬合金設計典型案例，推動了稀貴金屬新材料領域由經驗指導實驗向理論預測、實驗驗證的材料研發新模式轉變，賦能新質生產力。
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